全球小衛(wèi)星現(xiàn)狀及發(fā)展

唐亮 劉鴻鵬 何慧東

（1中國空間技術研究院 2東方紅衛(wèi)星移動通信有限公司3北京空間科技信息研究所 ）

小衛(wèi)星作為“新航天”浪潮的重要組成部分，近年來發(fā)展如火如荼，并已進入新的發(fā)展階段。根據預測，未來10年小衛(wèi)星將進一步崛起，各國將在低、中地球軌道部署超過40個小衛(wèi)星星座、數(shù)千顆衛(wèi)星，服務全球經濟建設和社會發(fā)展。

1 小衛(wèi)星發(fā)射情況

全球航天發(fā)射活動進入新的高峰期，2018年全球共發(fā)射461個航天器，其中500kg以下的小衛(wèi)星321顆，占年度發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的69.6%，成為航天體系中的重要組成部分。

從整體趨勢看，小衛(wèi)星部署數(shù)量呈現(xiàn)階梯式增長態(tài)勢。2012年以前，處于技術積累階段，每年部署數(shù)量在50顆以下；2013－2016年，進入業(yè)務化應用階段，每年部署數(shù)量超過100顆；2017年至今，開啟小衛(wèi)星大規(guī)模應用推廣，每年部署數(shù)量超過300顆，小衛(wèi)星占比也從30%左右增長至70%左右。

2010－2018年世界航天發(fā)射情況

從質量分布看，2018年部署的321顆小衛(wèi)星中，0～5kg的衛(wèi)星188顆，5～10kg的衛(wèi)星46顆，10～50kg的衛(wèi)星27顆，50～100kg的衛(wèi)星18顆，100～500kg的衛(wèi)星42顆。5kg及以下的立方體衛(wèi)星數(shù)量最多；100～500kg作為傳統(tǒng)小衛(wèi)星的主戰(zhàn)場，因其高性能的特點，同樣部署數(shù)量較多。

從應用領域看，2018年部署的小衛(wèi)星中，154顆為技術試驗衛(wèi)星，123顆為對地觀測衛(wèi)星，25顆為通信衛(wèi)星，12顆為空間科學衛(wèi)星，7個為深空探測器。技術試驗和對地觀測為衛(wèi)星數(shù)量最多的領域，二者占小衛(wèi)星總數(shù)的比例達到86%；通信衛(wèi)星、空間科學衛(wèi)星、深空探測器盡管數(shù)量占比較少，但相較往年均取得重要突破，數(shù)量快速增長。

從衛(wèi)星所屬國家看，2018年，全球共有27個國家和地區(qū)部署小衛(wèi)星，既包括美國、中國、歐洲、俄羅斯等傳統(tǒng)航天國家，也包括眾多新興航天國家，覆蓋亞太、獨聯(lián)體、中東和非洲、南美等地區(qū)。其中，美國部署小衛(wèi)星數(shù)量最多，達到161顆，占全球部署數(shù)量近半；中國、歐洲居第二、第三位，分別部署52顆和37顆，俄羅斯、韓國、日本緊隨其后。

從資產屬性上看，2018年，軍用、民用和商業(yè)小衛(wèi)星數(shù)量分別為40顆、142顆和139顆。相較往年，軍民小衛(wèi)星數(shù)量和占比實現(xiàn)增長，其中，軍用小衛(wèi)星數(shù)量增長尤為顯著，小衛(wèi)星對軍事航天能力的補充作用日益突出；商業(yè)衛(wèi)星由于周期性部署的因素，2018年數(shù)量和占比有所回落。

2 小衛(wèi)星發(fā)展環(huán)境

小衛(wèi)星被視為構建彈性軍事航天體系的關鍵環(huán)節(jié)

全球航天技術快速進步，進入空間和利用空間能力大幅提升，與此同時，反衛(wèi)星技術、在軌服務技術等也對航天資產安全性帶來了前所未有的威脅。以美國為例，過去美軍過于倚重大型衛(wèi)星，單顆衛(wèi)星不具備彈性，易受攻擊。為應對新的形勢，美國軍方和情報界提出利用小衛(wèi)星星座構建彈性網絡，增強航天系統(tǒng)架構對系統(tǒng)失效和對手攻擊的承受能力。為此，美國陸軍探索利用小衛(wèi)星相互連接組成情報網絡，衛(wèi)星可自動切換以提供連續(xù)服務；國防高級研究計劃局（DARPA）提出“黑杰克”（BlackJack）計劃，目標是找到傳統(tǒng)軍用衛(wèi)星的低成本替代方案（單星成本控制在600萬美元以下），在一顆衛(wèi)星上搭載多個載荷，并利用低軌衛(wèi)星星座提供持續(xù)、覆蓋全球的偵察能力，支持軍事作戰(zhàn)；國家地理空間情報局（NGA）則拓寬數(shù)據來源，通過強化機器學習和機器視覺能力處理海量數(shù)據，快速向用戶提供地理空間情報。這一系列舉措使對手威脅航天資產安全的嘗試復雜化，從而保障航天系統(tǒng)安全。日本也提出了建設應對威脅的彈性航天體系架構。

政府簡化航天監(jiān)管，加強小衛(wèi)星數(shù)據采購

世界主要航天國家制定了多項政策，加速提升航天對社會經濟發(fā)展的促進作用。在美國國家航天委員會（NSC）的支持下，美國商務部大力推行商業(yè)航天制度改革，簡化相關流程，為航天企業(yè)創(chuàng)建“一站式”服務，進而提高管理效率，促進航天產業(yè)發(fā)展。在簡化監(jiān)管的同時，也對違規(guī)活動進行處罰。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在2018年12月向蜂群技術公司（Swarm Technologies）開出90萬美元罰單，處罰其未經批準在印度火箭上搭載發(fā)射4顆小衛(wèi)星。英國發(fā)布《航天驅動國家繁榮戰(zhàn)略》，鼓勵航天產業(yè)發(fā)展，以此拉動國家經濟建設，實現(xiàn)GDP倍增的宏偉目標。

此外，政府改變傳統(tǒng)思路，加大商業(yè)小衛(wèi)星數(shù)據的采購力度。例如，美國國家航空航天局（NASA）已開始向商業(yè)小衛(wèi)星公司購買地球科學數(shù)據，并發(fā)布征詢書為新的數(shù)據商提供機會。美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）在2018年9月向地理光學公司（GeoOptics）、普奈蒂克公司（PlanetIQ）和斯派爾公司（Spire）授出了第二輪商業(yè)衛(wèi)星氣象數(shù)據試驗計劃合同，利用這些公司的衛(wèi)星獲取GPS無線電掩星氣象數(shù)據。

Capella雷達成像衛(wèi)星

3 小衛(wèi)星重要進展

雷達成像技術取得突破，光學成像面向具體應用全面發(fā)展

（1）小衛(wèi)星雷達成像技術取得重大突破

芬蘭冰眼公司（ICEYE）2018年成功發(fā)射2顆“冰眼”衛(wèi)星，該衛(wèi)星是世界上首顆100kg以下的合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星?！氨邸毙亲鶎⒂糜讷@取近實時的SAR圖像，計劃由18顆微衛(wèi)星組成，可監(jiān)測不斷變化的海洋和海冰，跟蹤海洋漏油和幫助打擊非法捕魚等。完成部署后，用戶可在數(shù)小時內準確對地球上某點進行成像。

美國卡佩拉空間公司（Capella Space）2018年成功發(fā)射全球最小商業(yè)雷達衛(wèi)星—“卡佩拉”(Capella)星座首星?！翱ㄅ謇毙亲?6顆衛(wèi)星組成，單星質量不到40kg，使用X頻段SAR成像載荷，第一代衛(wèi)星分辨率優(yōu)于1m，第二代衛(wèi)星分辨率優(yōu)于0.5m，具備每小時重訪一次的能力?？ㄅ謇臻g公司計劃2019年再將6顆衛(wèi)星部署至兩個軌道面，屆時，該公司將以6h的最大重訪周期，提供監(jiān)測全球任意位置的能力。

（2）高性能光學成像系統(tǒng)快速發(fā)展

美國太空飛行工業(yè)公司（SpaceFlight Industries）2018年成功部署首批2顆“黑天全球”（BlackSky Global）業(yè)務衛(wèi)星。“黑天全球”衛(wèi)星主承包商為航天飛行服務公司，基于“偵察兵”（SCOUT）平臺研制，載有哈里斯公司（Harris）研制的空間視野－24TM（SpaceView－24TM）光學系統(tǒng)，孔徑為24cm，覆蓋全色和多光譜譜段，多光譜分辨率達0.9～1.1m，可提供圖像及視頻服務。

美國實時地球公司（EarthNow）計劃耗資10億美元，打造“創(chuàng)新且獨特的實時對地觀測服務”，可以提供覆蓋全球的風暴監(jiān)測、自然災害和非法漁船等信息。該公司計劃借鑒一網公司（OneWeb）技術為每顆衛(wèi)星配備“前所未有的強大的星上處理能力”，還將利用機器學習技術分析動態(tài)圖像。

（3）全球高光譜衛(wèi)星快速部署

各國國防與情報機構、農業(yè)巨頭、自然資源勘探者和能源公司正在利用高光譜衛(wèi)星以較低成本采集高光譜數(shù)據，衛(wèi)星邏輯公司（Satellogic）、康新公司（Consine）、行星資源公司（Planetary Resources）和高光譜衛(wèi)星公司（HyperSat）等多家公司宣布了高光譜成像衛(wèi)星星座的計劃。2018年，印度成功發(fā)射了“高光譜成像儀衛(wèi)星”（HYSIS），該衛(wèi)星由印度空間研究組織（ISRO）研制，采用了SSB－2衛(wèi)星平臺，發(fā)射質量380kg，設計壽命5年，星上搭載高光譜成像儀，可以在可見光、短波紅外區(qū)域成像。美國高光譜衛(wèi)星公司在2018年10月獲得8500萬美元融資，計劃于2020年發(fā)射2顆高分辨率高光譜成像衛(wèi)星，衛(wèi)星質量200～300kg，運行在500～600km高的低地球軌道，將為美國政府和商業(yè)用戶分別提供分辨率為4m和10m的高光譜數(shù)據。

（4）氣候和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星成為發(fā)展熱點

為應對嚴峻的氣候變化和環(huán)境污染問題，世界各國加快監(jiān)管和治理步伐，天基手段為各國提供了高效準確的氣候和環(huán)境監(jiān)測信息，取得了快速發(fā)展。美國環(huán)境保護基金會（EDF）計劃2021年前發(fā)射“甲烷星”（MethaneSAT），測量人類活動產生的甲烷排放，重點監(jiān)測50個大型油氣開發(fā)區(qū)域，精度將高于現(xiàn)有衛(wèi)星或其他傳感器設備。空客防務與航天公司（ADS）也啟動了“空間碳觀測臺”（SCARBO）項目，將在小衛(wèi)星星座上搭載小型靜態(tài)光譜儀，解決天基監(jiān)測人為溫室氣體的關鍵問題，預計該項目將在10年內作為第二代“哥白尼”（Copernicus）衛(wèi)星的補充系統(tǒng)開展工作。

NASA成功發(fā)射“重力恢復與氣候實驗后續(xù)任務”（GRACE-FO）衛(wèi)星，接替退役的GRACE衛(wèi)星，監(jiān)測全球地下儲存水量變化。2顆GRACE-FO衛(wèi)星在同一軌道上運行，相距220km，星載微波測距系統(tǒng)可測量地球引力場產生的微小距離變化，進而通過這些變化分析由南極洲、格陵蘭島冰川流失等原因造成的地球水循環(huán)流動。

美歐低軌通信星座拉開建設帷幕，中俄星座取得重要進展

（1）美國批準低軌星座項目，即將開啟大規(guī)模部署

2018年11月，美國聯(lián)邦通信委員會通過了美國太空探索技術公司（SpaceX）、加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）、加拿大開普勒公司（Kepler）以及低軌衛(wèi)星公司（LEOSat）4家公司的低軌星座項目，授權了近8000顆衛(wèi)星為美國提供衛(wèi)星通信業(yè)務。目前，這4家公司中有3家公司已經部署了演示項目。

一網公司和ADS公司成立了合資的一網衛(wèi)星公司，建造規(guī)模達900顆衛(wèi)星的“一網”星座。在日本軟銀公司（SoftBank）、國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）、可口可樂公司（Coca-Cola）和其他投資商的支持下，一網公司開啟了衛(wèi)星的批量制造，首批6顆“一網”衛(wèi)星在2019年2月27日成功發(fā)射入軌，目標在2027年前讓地球上每個人都能使用互聯(lián)網。“一網”星座無星間鏈路，計劃在全球建設40余座信關站，每座信關站都能連接至遠在4000km之外的衛(wèi)星。

（2）中國發(fā)射低軌星座首星，俄羅斯啟動低軌移動星座計劃

2018年，中國低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設邁出實質性一步，并借助“一帶一路”倡議和衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展契機，參與構建空間信息走廊，通過創(chuàng)新商業(yè)模式，支撐沿線國家互聯(lián)互通。“虹云”工程首星、“鴻雁”星座首星相繼成功發(fā)射并進入軌道?！傍櫻恪毙亲A計在2022年建成骨干星座系統(tǒng)，提供全球通話、全球數(shù)據采集及全球無死角的互聯(lián)網接入服務。

俄羅斯啟動“球體”（Sfera）全球衛(wèi)星星座計劃，利用低軌小衛(wèi)星星座為任意地點提供實時移動通信和觀測服務?！扒蝮w”計劃將部署約640顆衛(wèi)星，于3年內發(fā)射首批6顆衛(wèi)星，并于2026年建成。該計劃已獲得俄羅斯總統(tǒng)普京批準，目標是建設成為最優(yōu)的衛(wèi)星星座集群，目前由遙感衛(wèi)星系統(tǒng)、通信衛(wèi)星系統(tǒng)、“格洛納斯”（GLONASS）導航衛(wèi)星系統(tǒng)、“馬拉松”（Marathon）物聯(lián)網衛(wèi)星系統(tǒng)等組成。

Sfera計劃示意圖

空間態(tài)勢感知系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，在軌服務系統(tǒng)計劃開展驗證

加拿大北極星公司（NorthStar）正在開發(fā)先進的環(huán)境和近地空間監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由40顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星利用高光譜和紅外相機開展對地觀測，并利用光學相機監(jiān)視太空，能同時開展地理信息和空間態(tài)勢感知服務，提供對地觀測數(shù)據以及在軌空間碎片和物體信息。

日本宇宙規(guī)模公司（Astroscale）正在研究衛(wèi)星退役和空間碎片清除服務解決方案，確保航天活動的長期安全和軌道資源的可持續(xù)性。目前，宇宙規(guī)模公司正在開展其首個碎片捕獲示范驗證項目——“生命終止服務-示范”（ELSA-d），該項目計劃于2020年初發(fā)射，將包括“追逐航天器”（Chaser）和“目標航天器”（Target）兩個部分。

深空中繼通信能力成為發(fā)展熱點，空間科學應用全面鋪開

隨著航天技術的進步，小衛(wèi)星性能快速提升，應用場景逐步輻射至空間科學和深空探測領域。中國2018年成功發(fā)射“鵲橋”中繼星，成為人類歷史上第一顆在地月L2點上的中繼衛(wèi)星，協(xié)助嫦娥四號開展首次月球背面軟著陸和巡視探測。英國薩瑞衛(wèi)星技術公司（SSTL）正在設計名為DoT－4的月球通信衛(wèi)星，質量為35kg，計劃于2021年發(fā)射，旨在利用“貢希利”（Goonhilly）深空網絡提供通信中繼回傳，并與月球表面的月球車進行通信，該公司的最終目標是建設一個完整的月球通信衛(wèi)星星座。美國“洞察”（InSight）火星探測器于2018年5月5日發(fā)射，同時發(fā)射的還有2顆立方體衛(wèi)星—“火星立方星一號”（MarCO），該衛(wèi)星為6U立方體衛(wèi)星，可為“洞察”提供及時的中繼通信服務。

MarCO中繼通信立方體衛(wèi)星

美國2018年成功發(fā)射新一代空間望遠鏡“系外行星凌日衛(wèi)星”（TESS），這顆衛(wèi)星可探索宇宙中大部分區(qū)域，覆蓋85%的視場，通過探測行星經過恒星時所發(fā)生的亮度周期變化，尋找可能存在的外星生命跡象。歐洲航天局（ESA）研制了“地外行星探測衛(wèi)星”（CHEOPS），針對太陽系附近且目前已確定有行星環(huán)繞的恒星系統(tǒng)，通過對恒星亮度的高精度監(jiān)測，探尋其周圍行星的密度及內部結構，進而分析行星的形成以及軌道情況。

新型平臺載荷技術獲得大力投入，創(chuàng)新推進系統(tǒng)蓬勃發(fā)展

俄羅斯計劃開發(fā)先進的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)。俄羅斯航天國家集團（Roscosmos）正在開展小衛(wèi)星星座綜合研究和開發(fā)項目，利用創(chuàng)新模式研制小衛(wèi)星平臺，并開發(fā)基于小衛(wèi)星星座的特定功能空間系統(tǒng)；同時開展小衛(wèi)星星載小型節(jié)能星敏感器、太陽敏感器，以及先進多光譜紅外輻射計相關研究。日本ALE公司計劃2020年實施“人造流星”項目，通過發(fā)射攜帶有眾多顆粒物質的小衛(wèi)星，這些顆粒在軌釋放后將穿過大氣層，引起等離子體發(fā)光，成為人造流星，進而開展航天文化應用。

吸氣式電推進、太陽帆等新型推進技術正在快速發(fā)展，成熟度持續(xù)提高。ESA 2018年在實驗中成功模擬了吸氣式電推進（ABEP）技術方案，該技術通過吸入太空中的微量氣體，利用電極線圈加速噴出產生推力。這項技術已提出十多年，這次在實驗中的成功模擬驗證了技術的可行性，未來有望在超低軌道衛(wèi)星、行星探測等領域獲得應用，大幅度提升航天器性能、延長航天器在軌壽命。NASA 2018年成功進行“近地小行星偵察兵小衛(wèi)星”（NEA Scout）的太陽帆展開地面試驗。這顆衛(wèi)星是一個6U立方體衛(wèi)星，依靠太陽帆推進，計劃在探索任務－1（EM－1）中搭載發(fā)射。

傳統(tǒng)航天企業(yè)關注小衛(wèi)星能力，全產業(yè)鏈業(yè)務模式成趨勢

小衛(wèi)星能力的快速發(fā)展和廣闊的應用前景吸引了航天業(yè)界的關注，傳統(tǒng)航天巨頭通過多種途徑完善自身的小衛(wèi)星業(yè)務能力，滿足未來發(fā)展需求。2018年，波音公司（Boeing）宣布計劃收購千禧年空間系統(tǒng)公司（Millennium Space Systems），以增強空間與衛(wèi)星業(yè)務實力。千禧年空間系統(tǒng)公司在垂直整合小衛(wèi)星解決方案中的優(yōu)勢能夠對波音公司現(xiàn)有的衛(wèi)星體系提供重要補充，滿足客戶群體的多樣化需求。麥克薩技術公司（Maxar）2018年著手組建小衛(wèi)星部門，并繼續(xù)壓縮勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）的地球靜止軌道衛(wèi)星制造業(yè)務。雷聲公司（Raytheon）2018年對鷹眼360公司（Hawkeye 360）進行戰(zhàn)略投資，換取其天基無線電信號分析數(shù)據的訪問權，進一步提升雷聲公司軍用數(shù)據分析服務質量。

小衛(wèi)星企業(yè)正在通過發(fā)展全產業(yè)鏈能力提升綜合效益。瑞典AAC微技術公司收購蘇格蘭立方體衛(wèi)星制造商克萊德空間公司（Clyde Space），滿足1～50kg的衛(wèi)星星座市場需求，同時正在探索“把衛(wèi)星作為一項服務”的業(yè)務模式，開展從任務設計到制造、發(fā)射和運營的所有業(yè)務。與AAC、克萊德空間公司類似，荷蘭空間創(chuàng)新解決方案公司（ISIS）、英國開放宇宙公司（Open Cosmos）、軌道閣樓公司（Loft Orbital）等也提供了交鑰匙解決方案，以期打通整個產業(yè)鏈，優(yōu)化業(yè)務布局。

4 結束語

在政府、軍方、商業(yè)市場用戶需求的牽引，以及創(chuàng)新技術的推動下，小衛(wèi)星進入了實用化、業(yè)務化、規(guī)?；陌l(fā)展階段，一方面為對地觀測、通信等傳統(tǒng)應用帶來了創(chuàng)新的解決方案；另一方面也在空間安全、空間科學等領域實現(xiàn)了重要突破。隨著創(chuàng)新技術的持續(xù)研發(fā)和應用，以及制造、發(fā)射、運營、應用的全產業(yè)鏈整合，未來，小衛(wèi)星發(fā)展活力有望被進一步激發(fā)，為全球經濟建設和社會發(fā)展注入新的動力。